Wie die spezielle Relativitätstheorie Magnetismus verursacht

Also gab uns mein Physiklehrer einen Artikel darüber, wie die spezielle Relativitätstheorie Magnetismus in einem Draht mit Strom verursacht, selbst bei den geringen Driftgeschwindigkeiten von Elektronen in einem Strom. Es schien, dass die Grundlage des Artikels darin bestand, dass Magnetismus nur relativistische Elektrizität ist, also habe ich mich gefragt, wie ein Permanentmagnet funktioniert. Es macht für mich Sinn, dass ein sich bewegendes geladenes Teilchen unbewegte Teilchen der entgegengesetzten Ladung anzieht, aber wie bewirken die Umlaufbahnen von Elektronen in einem Magneten, dass es ein Magnetfeld hat?

Für eine Erklärung, warum die spezielle Relativitätstheorie Magnetismus impliziert, versuchen Sie, Schwartz' Buch über Elektrodynamik zu finden. Permanentmagnete beziehen sich auf die Spinausrichtung.
Verwandte: physical.stackexchange.com/q/65335 , aber ich würde sagen, kein Duplikat, noch ist das andere vorgeschlagene Duplikat ganz dasselbe. Die Betonung liegt hier , anders als bei den anderen Fragen, auf Permanentmagneten, was ein wenig Quantenmechanik erfordert, um richtig erklärt zu werden.

Antworten (2)

Es ist ein Fehler zu glauben, dass die spezielle Relativitätstheorie (SR) Magnetismus verursacht. Der Artikel, den Sie gerade lesen, argumentiert das

  • (A) "Wenn Elektrizität existiert und SR wahr ist, dann muss Magnetismus existieren".

Diese Aussage ist wahr, ich gebe es zu. Aber das ist genauso wahr

  • (B) "Wenn Magnetismus existiert und SR wahr ist, dann muss Elektrizität existieren".

In Wirklichkeit sind Elektrizität und Magnetismus gleichermaßen grundlegende Teile der Physik. Die spezielle Relativitätstheorie vereint Elektrizität und Magnetismus zum Elektromagnetismus, genauso wie sie Raum und Zeit zur Raumzeit vereint. Zeit verursacht keinen Raum, Raum verursacht keine Zeit und SR verursacht weder Raum noch Zeit. SR offenbart lediglich die Bezogenheit von Raum und Zeit. Ebenso verursacht Elektrizität keinen Magnetismus, Magnetismus verursacht keine Elektrizität und SR verursacht weder Elektrizität noch Magnetismus. SR offenbart lediglich die Verwandtschaft von Elektrizität und Magnetismus.

Viele Leute stoßen in ihrem Physikunterricht an der High School oder am College auf (A) und missverstehen es schließlich als den grundlegenden Grund, warum Magnetismus existiert. Warum ist das so? Und warum weisen Lehrbücher fast nie auf (B) hin?

Der Grund dafür ist einfach, dass niemand in Frage stellt, warum Elektrizität existiert – elektrische Anziehung und Abstoßung scheinen völlig natürlich – während Magnetismus mysteriöser erscheint. Mit anderen Worten, diese pädagogische Asymmetrie zwischen Elektrizität und Magnetismus hat nichts mit Physik zu tun, sondern alles mit unseren angeborenen Vorurteilen und Intuitionen.

Eigentlich hat die Asymmetrie alles mit Physik zu tun, da es in der Natur nur elektrische und keine magnetischen Ladungen gibt. Darüber hinaus ist ein Großteil der scheinbaren Symmetrie zwischen Elektrizität und Magnetismus ein Artefakt einer 3+1-Raumzeit – Magnetismus wäre in keiner anderen Anzahl von Dimensionen als Vektorfeld ausdrückbar.
Ich habe nicht gesagt, dass Elektrizität und Magnetismus "symmetrisch" in dem Sinne sind, in dem Sie den Begriff verwenden. (Bitte lesen Sie meine Antwort noch einmal, ich habe über die Asymmetrie der pädagogischen Betonung gesprochen.) Jeder 6-Jährige kann sie unterscheiden. Ich habe nur gesagt, dass die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus nicht Ursache und Wirkung ist: Sie sind gleichermaßen grundlegende Teile der Physik.
@ChrisWhite - Für das, was es wert ist, glauben die meisten ernsthaften theoretischen Physiker, dass magnetische Monopole im Universum existieren, aber dass sie sehr, sehr selten sind. Ich glaube aber nicht, dass es für das diskutierte Thema von Bedeutung ist.
Steve BI verwende deine Antwort in einer anderen Antwort von mir . Übrigens ist es die beste Antwort auf das Verhältnis von elektrischer Ladung und magnetischem Dipolmoment, die ich je gesehen habe.
Würden Sie diese Antwort lesen physical.stackexchange.com/a/554533/46708 lesen und mir Feedback geben?

Es gibt zwei Phänomene in Ihrer Frage.

(1) Lassen Sie uns zunächst verstehen, wie angenommen werden kann, dass ein Magnetfeld aufgrund der Relativitätstheorie „entsteht“. Stellen Sie sich einen Bezugsrahmen vor, in dem eine Ladung Q ist in Ruhe. Wenn eine andere Gebühr q in seine Nähe gebracht wird, erfährt es nur eine elektrostatische Kraft. Gehen Sie nun zu einem anderen Trägheitsbezugssystem, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt v in Bezug auf das erste. In diesem Bezugsrahmen werden Sie beobachten, wie sich beide Ladungen bewegen. Die statischen Aufladungen des alten Bezugssystems treten nun als Ladungen und Ströme auf. Das elektrostatische Feld des vorherigen Rahmens erscheint nun als elektrostatisches Feld unterschiedlicher Größe und als magnetisches Feld. Da die Physik in allen Trägheitsbezugssystemen gleich ist, neigen wir dazu, das zu glauben E und B sind Manifestationen eines einzelnen elektromagnetischen Feldes.

Dies ist eine sehr "handwinkende" Art einer Erklärung. Weitere mathematische Details finden Sie in Rober Resnicks "Special Theory of Relativity" oder Melvin Schwartz' "Principles of Electrodynamics".

(2) Der erste Punkt versucht zu erklären, wie Magnetismus aufgrund eines Stroms als relativistischer Effekt angesehen werden kann. Betrachten wir nun den Magnetismus aufgrund von Elektronen. Elektronen haben neben Ladung und Masse auch ein intrinsisches magnetisches Moment, das nur durch die relativistische Quantenmechanik erklärt werden kann. Somit ist auch der Magnetismus eines Stabmagneten ein relativistischer Effekt. Bitte beachten Sie, dass der Magnetismus in einem Stabmagneten auf den Spin des Elektrons und nicht auf die Orbitalbewegung zurückzuführen ist.

Danke, interessant, wie es mit Spin und nicht mit Orbitalen oder so zu tun hat, aber das Buch von Schwartz klingt nach einem guten Anfang.
Sehr interessante Erklärung.
"Bitte beachten Sie, dass der Magnetismus in einem Stabmagneten auf den Spin des Elektrons und nicht auf die Umlaufbahn zurückzuführen ist." Dies ist nicht wahr, je nachdem, was Sie unter "Magnetismus" verstehen. Die stärksten heute erhältlichen Permanentmagnete (Nd, Pr) FeB und SmCo haben magnetische Eigenschaften aufgrund der Wechselwirkung des Spins und der Orbitalbewegung des Elektrons mit dem durch das Materialgitter erzeugten Potential. Sie erhalten keine Permanentmagnete, indem Sie einfach überschüssige, nicht gelöschte elektronische Spins oder ähnliches haben. Sie benötigen Kristall- oder Formmerkmale. en.wikipedia.org/wiki/Magnetocrystall_anisotropy